Назад

---

Відділ фізики багатопараметричної структурної діагностики було створено у 2016 р. шляхом реорганізації відділу теорії твердого тіла. Відділ теорії твердого тіла створено в 1950 р. акад. АН УРСР А. А. Смирновим, який керував ним з дня заснування і до 1987 р. З 1987 р. і до 2014 р. відділом керував чл.-кор. НАН України В. Б. Молодкін, у 2014–2015 рр. — проф., д.ф.-м.н. Г. І. Низкова, а у 2015–2016 рр. — проф., д.ф.-м.н. В. А. Татаренко.

Ряд робіт, виконаних у відділі, присвячено теорії електричного опору металів і сплавів, що мають різні дефекти кристалічної будови. Під керівництвом А. А. Смирнова в рамках багатоелектронної моделі металу М. О. Кривоглаз, З. А. Матисіна і А. І. Носарь побудували теорію залишкового електроопору сплавів, що упорядковуються, встановили залежність цього опору від параметрів далекого порядку, кореляції і величин, що характеризують різного роду спотворення кристалічної решітки сплаву. Ці результати стали узагальненням робіт А. А. Смирнова, виконаних ним в Інституті фізики металів УрВ АН СРСР до 1947 р. (м. Свердловськ, нині м. Єкатеринбург).

У відділі отримали подальший розвиток теорія розсіяння випромінювань в неідеальних кристалах, а також теорія нейтронографії сплавів з урахуванням далекого порядку, кореляції, геометричних спотворень і ефектів магнітного розсіювання. На основі останньої розроблено нейтронографічний метод дослідження дефектів будови сплавів. (В. М. Даниленко, М. О. Кривоглаз, Д. Р. Різдвянецький, А. А. Смирнов).

Розробивши метод флуктуаційних хвиль, М. О. Кривоглаз і К. П. Рябошапка побудували кінематичну теорію розсіювання рентгенівських променів на статичних спотвореннях і критичного розсіяння; запропонували класифікацію дефектів за рентгенографічними ефектам,що створюються ними; дослідили розсіювання на дислокаціях. В. Б. Молодкін і Е. А. Тихонова розвинули динамічну теорію розсіяння рентгенівських променів і електронів для кристалів з різного виду спотвореннями, а також теорію прямих методів спостереження дефектів кристалічної будови.

М. О. Кривоглаз спільно з А. А. Смирновим розробили новий метод дослідження форми поверхні Фермі в металах і сплавах, заснований на вивченні кутового розподілу квантів, що утворюються при анігіляції позитронів з електронами провідності в монокристалічних зразках. При використанні цього методу не потрібні магнітні поля, низькі температури і висока чистота матеріалу. Цим він вигідно відрізняється від багатьох загальновідомих методів і тому успішно застосовується при експериментальних дослідженнях.

Велику увагу було приділено розвитку молекулярно-кінетичної і термодинамічної теорії металів і сплавів. А. А. Смирнов і М. О. Кривоглаз вперше побудували теорію дифузії в сплавах, що упорядковуються. Вони передбачили ряд нових ефектів, пов'язаних з впливом впорядкування атомів на їх дифузію. Ці ефекти були виявлені експериментально в Росії, США, Польщі. Розвинуто теорію розпаду сплавів, що містять домішки на вузлах і міжвузловинах кристалічної решітки.

Розроблено метод точок розгалуження кривої рівноваги, за допомогою якого можна досліджувати фазові переходи типу порядок–безлад і порядок–порядок в сплавах з кількома фазовими перетвореннями і передбачити тип надструктур, що з'являються. (А. А. Смирнов, В. В. Гейченко).

Створено теорію впорядкування при високих тисках і теорію взаємного впливу двох кооперативних явищ, — атомного та спінового упорядкувань (у феро- і антиферомагнетиках), — що дозволила виявити ряд ефектів: особливості діаграм стану, пов'язані з взаємним впливом атомного впорядкування та намагнічування в сплавах, зміна температури і роду фазового переходу та інше. (В. В. Гейченко, В. М. Даниленко, А. К. Канюка, Д. Р. Різдвянецький, В. І. Рижков, А. А. Смирнов).

Пізніше ці теорії було удосконалено врахуванням далекосяжності міжатомових взаємодій (за методами флуктуаційних хвиль та статичних концентраційних хвиль) і поширено на стопи заміщення–втілення, магнетні компоненти яких характеризуються довільними спіновими числами (Т. М. Радченко, В. А. Татаренко).

Розвинуто теорію ізотопного впорядкування атомів водню по міжвузловинах, яка призвела до можливості немонотонної температурної залежності параметрів порядку за наявности вакантних міжвузловин (Л. Б. Квашніна, А. А. Смирнов).

Досліджено розподіл складу і параметра порядку поблизу поверхні обмежених кристалічних стопів (А. М. Бобир, Г. І. Гранкіна, В. І. Рижков).

В рамках співпраці з Академією наук НДР та іншими установами АН України Ю. В. Корнюшин виконав широкі дослідження явищ перенесення в (полі)кристалах у зовнішніх полях різної природи.

До нового виду залежностей коефіцієнтів самодифузії і в'язкості від температури (А. А. Смирнов, Д. Р. Різдвянецький) та зовнішнього тиску (А. А. Смирнов, В. А. Татаренко), що відповідають експериментальним даним для рідких газів та рідких металів, призвела побудована А. А. Смирновим (не пов’язана з квазікристалічним наближенням) теорія дифузії і в'язкості в простих рідинах.

Розроблено теорію дифузії і термодифузії в стопах втілення при великих концентраціях втілених атомів по міжвузловинах різного типу ґратниці металу, а також теорію фазових перетворень із зміною порядку в системі втілених атомів, що знаходяться у нееквівалентних положеннях у ґратниці (А. А. Смирнов).

А. А. Смирнов вперше побудував й послідовну молекулярно-кінетичну теорію стопів вилучення, пояснив основні експериментально спостережувані особливості структурних і термодинамічних характеристик цих стопів.

Учнями А. А.Смирнова вперше проведено геометрично повний симетрійно-конфіґураційний і статистично-термодинамічний аналізи, на підґрунті яких встановлено всі можливі типи термодинамічно стійких до антифазних зсувів надструктур втілення на основі щільнопакованих ГЦК- та ГЩП-ґратниць (В. М. Бугаєв, В. А. Татаренко, Р. В. Чепульський), а також короткоперіодних надструктур заміщення й втілення на основі стільникоподібної ґратниці (Т. М. Радченко, В. А. Татаренко).

В. М. Бугаєв і В. А. Татаренко розвинули напівфеноменологічну теорію міжатомових взаємодій з урахуванням деформаційно-індукованих ефектів розмірної невідповідности атомів у твердих розчинах на основі металевих кристалів з базисом. В її рамках одержано кількісну інформацію про енергетичні й силові параметри взаємодії атомів C, N, O, H у кристалах багатьох металів II, III, IV, VII і VIII груп (В. А. Татаренко, К. Л. Цинман).

Для широкого ряду скінченних твердих розчинів (зокрема, на основі шарових і щільнопакованих кристалів), а також нестехіометричних фаз втілення–заміщення металооксидів, субгідридів, нітридів, карбідів, фуллеритів та інварів і пермалоїв за методами статики ґратниці та статичних флюктуаційних хвиль (М. О. Кривоглаза й ін.) розраховано дисперсійні криві (неаналітичних за описом) Фур’є-компонент енергій сумарної взаємодії точкових дефектів втілення або заміщення у кристалах із заданою структурою і ненапруженою поверхнею за допомоги: напівфеноменологічного врахування «деформаційної» (чи то пружньої) за природою міждефектної взаємодії, напівемпіричного оцінювання «хімічної» (або когезійної за природою) взаємодії втілених йонів (або дефектів заміщення) та модельного обчислення енергетичних параметрів магнетної взаємодії атомів заміщення з довільними спіновими числами (Т. М. Радченко, В. А. Татаренко, К. Л. Цинман з колеґами із КНУ).

Досліджено вплив температурно- та концентраційнозалежних магнетних і далекосяжних й анізотропних деформаційно-індукованих та короткосяжних «електрохімічних» міжатомових взаємодій на перерозподіл атомів (впорядкування або розшарування) в стопах втілення й заміщення та на їхні теплові й електротранспортні властивості (Т. М. Радченко, В. А. Татаренко).

На основі розрахунків енергетичних параметрів міжатомових взаємодій, статистично-термодинамічного аналізу в поєднанні з результатами досліджень Мессбауерового ефекту, виконаних у відділі фізичних основ леґування сталей і стопів ІМФ (В. Г. Гаврилюк, В. М. Надутов), В. М. Бугаєв, В. А. Татаренко і К. Л. Цинман дослідили будову і термодинаміку мікронеоднорідностей у ряді леґованих аустенітних сталей.

Розроблено аналітичний метод, що забезпечує порівняно високу точність розрахунку параметрів рівноважного близького порядку в стопах (Р. В. Чепульський), проаналізовано адекватність і ефективність прямих й непрямих методів дослідження міжатомової взаємодії та кінетики релаксації близького й далекого порядків у щільнопакованих твердих розчинах заміщення або втілення (Т. М. Радченко, В. А. Татаренко, Р. В. Чепульський).

Виявлено та вивчено ефекти обмежености розмірів і складности (непримітивности) внутрішнього устрою кристалічних структур, а також розмірної невідповідности і «блокування» атомів компонентів та їх магнетизму у взаємодії дефектів і термодинаміці й кінетиці утворення надструктур твердих розчинів, що упорядковуються (В. А. Татаренко, К. Л. Цинман, Р. В. Чепульський).

Із використанням статистично-термодинамічних і кінетичних теорій фазових перетворень, що враховують далекосяжність міжатомової взаємодії, запропоновано класифікаційну схему розривів 1-го роду у центрі першої Бріллюенової зони оберненого простору ґратниці розчинникадля Фур’є-компонент енергій «змішання» атомів скінченного твердого розчину (В. А. Татаренко).

З’ясовано, що неаналітичний характер оберненопросторового опису енергетичних параметрів статистичної термодинаміки й кінетики упорядкування, спинодального розпаду або ізоструктурного розпаду скінченного твердого розчину спричинений саме калібрувальною відсутністю («виключенням») непрямого, деформаційно-індукованого «самодіяння» розчинених атомів (через поля статичних спотворень розчинника) (В. А. Татаренко).

В. М. Бугаєв, В. А. Татаренко, К. Л. Цинман та Р. В. Чепульський вперше проаналізували якісні особливості діаграм стану і аномалії в розподілі втілених атомів, пов’язані з температурною залежністю енергетичних параметрів ефективних міжатомових взаємодійу стопах втілення.

Досліджено зумовлені таким чинником аномалії конфіґураційнозалежних теплових і транспортних властивостей стопів, зокрема, експериментально спостережувану немонотонність коефіцієнта самодифузії атомів вуглецю у ГЩП-берилії (В. М. Бугаєв, В. А. Татаренко).

Кількісно досліджено вплив домішки втілення на вміст у кристалі вузлових вакансій, встановлено структурно-ентропійні (зокрема, конфіґураційні) та енергетичні (в тому числі «розмірні») механізми явищ термічно активованих та спонтанних змін переважної локалізації домішкових атомів у кристалі (В. М. Бугаєв, В. А. Татаренко, К. Л. Цинман).

Запропоновано новий, пов’язаний з підвищенням вмісту вакансій (а не з розм’якшенням коливальної моди) механізм поліморфних перетворень у стопах втілення (А. М. Бобир, В. М. Бугаєв, А. А. Смирнов) та мартенситного перетворення у гібридних стопах втілення–заміщення, що упорядковуються (В. А. Татаренко, К. Л. Цинман).

Продемонстровано, що для опису дисипативних модульованих структур (із скінченним й температурозалежним періодом) у розподілі вакансій по кристалу, що опромінюється, необхідно розглядати механізм, який ґрунтується на відкритості й нерівноважності такої системи, а також на нелінійності характеру зв’язків вакансій з оточенням, причому треба застосовувати (послідовне з методичної точки зору) сумісне врахування внесків (непрямої) далекосяжної «деформаційної» взаємодії (зокрема, на далеких віддалях пружньої за характером) і домінувальної «прямої», порівняно короткосяжної «електрохімічної» взаємодії (в основному когезійної природи на близьких віддалях) у взаємочин зґенерованих вакансій за наявности їхніх стоків дислокаційного типу (О. В. Олійник, В. А. Татаренко з колеґами із КНУ).

Сформульовано необхідні термодинамічні умови формування й просторовий період «модульованих» структур за неоднорідного розподілу домішкових частинок у мезоморфному середовищі, за появу чого відповідає температурозалежна далекосяжна непряма взаємодія між домішковими частинками, що спричинюється інтерференцією індукованих статичних полів спотворень директора (В. А. Татаренко з колеґами із КНУ).

С. Й. Оліховський та Є. В. Кочелаб з колегами із КНУ розробили фізичну модель для опису утворення та еволюції мікродефектної структури пересиченого твердого розчину при термообробці та виконали розмірний і чисельний аналізи відповідних кінетичних рівнянь і рівнянь масоперенесення.

З використанням сучасних статистично-термодинамічної теорії близького атомового порядку й кінематичної теорії розсіяння на ньому та зміщеннях атомів було спрогнозовано картини розподілу значень інтенсивности дифузного розсіяння променів по оберненому простору різних ґратниць скінченних твердих розчинів заміщення та втілення із «вільною» або напруженою поверхнею залежно від симетрії вузлів або міжвузловин (октаедричних чи то тетраедричних) відповідно (В. А. Татаренко, К. Л. Цинман, Р. В. Чепульський з колеґами із КНУ).

Порівняння цих картин з відповідними експериментальними мапами для тих розчинів уможливлює ідентифікацію місць розташування розчинених атомів того чи іншого сорту у кристалі розчинника заданої структури і діагностику відповідного характеру температурної та й концентраційної залежностей властивостей твердих розчинів (електропровідности, тепломісткости тощо) з урахуванням кінетики релаксації порядку розміщення атомів у них (Т. М. Радченко, В. А. Татаренко).

Є. Г. Лень, В. В. Лізунов, І. М. Мельник, Т. М. Радченко, В. А. Татаренко з колеґами із КНУ виявили вплив змін температури та близького й далекого магнетних порядків на картину розсіяння різного типу (електронних, Рентґенових) хвиль у стопах на основі ОЦК- і ГЦК-ґратниць (у тому числі з сильними міжелектронними кореляціями); з урахуванням магнетизму обох компонентів заміщення виконано параметризацію міжатомових та електронних взаємодій у таких стопах, що впорядковуються, а також проаналізовано якісні особливості діаграм їхніх фазових станів, в тому числі феро-, антиферо- та феримагнетних.

О. І. Міцек удосконалив теорію магнетних властивостей плівок і фазових переходів та магнетотранспортних явищ у магнетиках, в тому числі з наномасштабною структурою.

Проведено теоретичне дослідження електронного спектру і ядерного магнетного резонансу в металах, що містять дислокації, а також статистично-механічний аналіз діамагнетизму взаємодійного електронного газу (І. М. Дубровський).

Співробітниками відділу було також розвинуто: теорію ядерного магнетного резонансу в стопах, що упорядковуються (А. І. Носар), класичну теорію орієнтаційних ефектів (каналювання й тіньового ефекту) в монокристалічних стопах заміщення та втілення (О. І. Етінґоф, Л. Б. Квашніна, А. А. Смирнов), квантову теорію каналювання в багатокомпонентних системах і кристалах з дефектами різного типу (А. П. Кирилюк, В. Б. Молодкін, В. Г. Новицький).

Побудовано статистичну динамічну теорію високоенергетичних квазичастинок у багатокомпонентних невпорядкованих системах, стопах, що упорядковуються, і кристалах з дефектами різного типу, на основі якої передбачено і вперше теоретично описано нові фундаментальні фізичні явища — явище екстинкції за рахунок розсіяння на спотвореннях, що знайшло широке застосування сьогодні в багатьох лабораторіях світу, і явище порушення в монокристалах відомого з кінематичної теорії розсіяння закону збереження повної інтегральної відбивної здатності, що виявилася унікально структурочутливою та інформативною величиною, а також передбачено когерентні ефекти аномального проходження та екстинкції для некогерентної складової хвильового поля квазичастинок, які отримали багаторазове експериментальне підтвердження і знайшли широке застосування в багатьох науково-дослідних центрах різних країн (В. Б. Молодкін, М. Є. Осиновський, С. Й. Оліховський).

На основі використання результатів побудованої теорії та передбачених ефектів, зумовлених багатократністю, головним чином, дифузного розсіяння, С. Й. Оліховський, Г. І. Низкова, Є. М. Кисловський під керівництвом В. Б. Молодкіна запропонували цілий ряд принципово нових методів рентгенівської дифрактометрії кристалів і створили ориґінальну експериментальну базу якісно оновленого рівня неруйнівної діагностики типів і кількісних статистичних характеристик дефектів кристалів і параметрів стопів, що продемонструвала рекордні показники інформативності, чутливості і експресності досліджень, що були відсутніми як в Україні, так і за її межами.

В. Б. Молодкіним, С. В. Лізуновою, В. В. Лізуновим та В. В. Молодкіним відкрито і фізично обґрунтовано маюче революційне значення для розвитку принципово нових функціональних можливостей діагностики, раніше невідоме явище колосального (на кілька порядків величини) підсилення прояву дефектів в картині багаторазового розсіяння за рахунок, як вони встановили, «включення» дисперсійного механізму впливу дефектів на дифракційну картину, тобто впливу не лише на амплітуду, але й на хвильовий вектор розсіяної хвилі.

Це уможливило В. Б. Молодкіну, Г. І. Низковій, Є. Г. Леню, С. В. Лізуновій, В. В. Лізунову та В. В. Молодкіну не лише підняти на кілька порядків величини структурну чутливість, але й створити обґрунтований фазоваріаційний підхід для розв’язання особливо актуальної проблеми багатопараметричної діагностики шляхом комбінування вимірювань картин багаторазового розсіяння в різних, цілеспрямовано обраних умовах дифракції.

Відкрите явище також уможливило В. Б. Молодкіну, Б. В. Шелудченку, С. В. Лізуновій та В. В. Лізунову в 2013–2014 рр. розв’язати проблему широкого впровадження в медичну практику виявленої ще в 1996 р. можливості в тисячі разів підняти межу чутливості рентгенівської діагностики новоутворень (від 5 мм до 5 мікрон за рахунок переходу від традиційного використання поглинання до використання заломлення променів) шляхом використання створеної ними адекватної теоретичної моделі для діагностики некристалічних об’єктів, яка кількісно описує (з врахуванням визначального і в цих випадках внеску ефектів багатократного розсіяння у формування структурної чутливості за рахунок не поглинання або дифракції, а рефракції променів) зв’язок параметрів зображень, що одержуються, з характеристиками новоутворень.

В. Б. Молодкіним, С. Й.Оліховським, Є. М. Кисловським, О. С. Скакуновою та С. В. Лізуновою проведено узагальнення динамічної теорії розсіяння на випадок багатошарових структур зі складною коміркою та з неоднорідними розподілами макродеформацій і мікродефектів, як між шарами, так і усередині шарів.

Відділ також не стояв осторонь порогу сучасної ери наномасштабних досліджень і технологій синтезу й оброблення одного з найпоширеніших у природі елементів — вуглецю. Традиції дослідження впливу конфіґурацій дефектів на розсіяння різного типу хвиль (зокрема, електронних) у кристалах, започатковані А. А. Смирновим і розвинені В. Б. Молодкіним, було продовжено в роботах із вивчання структуроутворення, термічних та електротранспортних властивостей функціоналізованих графенових систем. В цих роботах вперше передбачено можливі впорядковані розподіли домішкових атомів по вузлах і міжвузловинах графенової ґратниці, визначено області значень енергетичних параметрів міжатомових взаємодій, яким відповідає (низькотемпературна) стабільність надструктур заміщення та втілення на графеновій основі, виявлено ефекти кореляції та впорядкування в розподілі точкових (домішкові атоми, вакансії) і лінійних (межі зерен, атомові сходинки, дислокації) дефектів у графеновій ґратниці за їх окремої або одночасної присутности в ній (Т. М. Радченко, В. А. Татаренко з колеґами із КНУ).

Показано, що впорядкування точкових дефектів може відкривати заборонену зону в графеновому енергетичному спектрі, поліпшувати графенову електропровідність в десятки (10–30) разів, а орієнтаційна кореляція лінійних дефектів може підвищувати провідність в 4–5 разів, тобто за одночасної присутности обох типів дефектів впорядкування одних і кореляція інших можуть поліпшувати графенову провідність в сотні разів у порівнянні з їх випадковим орієнтаційно-просторовим розподілом (за тих же потенціалів розсіяння електронів) (Т. М. Радченко, В. А. Татаренко з колеґами із КНУ).

---